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[1xbet鋰電]鋰電池充放電性能及電池阻抗解析
目錄：電池技術(shù)發(fā)布時間：2020-12-16 18:26:19點擊率：
在電池的充放電過程中，電池阻抗是制約其性能的重要因素之一，阻抗不僅額外消耗電池的能量，而且會將消耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，對系統(tǒng)溫度造成影響。對于PACK行業(yè)人員而言，了解電池阻抗特性，掌握其異常的表現(xiàn)規(guī)律，有助于分析、解決電池包電性能測試的多種異常，提升工藝素養(yǎng)。
電池阻抗是指電流在通過電池時受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻以及外部接觸阻抗。（1）歐姆內(nèi)阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等有關(guān)，其阻值的大小與充放電狀態(tài)無關(guān)，亦幾乎不受SOC狀態(tài)的影響，僅隨著溫度的升高而降低。
（2）極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，僅發(fā)生在電池的充/放電過程中，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。其中[1]，電化學(xué)極化是由于電極的電化學(xué)速率反應(yīng)遲緩造成的，電化學(xué)反應(yīng)過程中某一步電荷轉(zhuǎn)移速率達(dá)不到對外放電速率時表現(xiàn)的阻抗，此時電池就要分配一定的電壓用于滿足其轉(zhuǎn)移速率的活化能；而濃差極化是由于反應(yīng)物消耗引起電極表面得不到及時補(bǔ)充導(dǎo)致的（或是某種產(chǎn)物在電極表面積累，不能及時疏散）。研究表明[2]，極化內(nèi)阻的大小受到SOC狀態(tài)的影響。如圖1所示，當(dāng)電池的SOC接近空電與滿電狀態(tài)時，其極化內(nèi)阻較大，而SOC處于20%~80%時，其極化內(nèi)阻相對較小，而且這種現(xiàn)象會隨著電池循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸加劇，這是因為經(jīng)過多次循環(huán)后，鋰離子電池的電極活性物質(zhì)與電解液界面逐漸退化，導(dǎo)致電化學(xué)的阻抗增加。
圖1 極化內(nèi)阻與SOC的關(guān)系
（3）接觸阻抗是指電池在使用中，正負(fù)極與外接電路間的接觸不良導(dǎo)致的阻抗。接觸阻抗主要發(fā)生在PACK過程中，例如焊接不良、串聯(lián)螺栓扭矩不緊等異常都會導(dǎo)致較大的接觸阻抗，且隨著時間的推移會逐漸出現(xiàn)扭力衰減問題，一般要求過電流的地方接觸越緊密越好（不同型號螺栓存在扭力標(biāo)準(zhǔn)范圍，過大可能導(dǎo)致螺栓損壞）。電池阻抗對充放電性能的影響：電池阻抗的大小直接影響到電池能量的消耗，無論是在充電還放電階段，阻抗的存在都會引起能量的損失，這就會使電池表現(xiàn)出充電電壓平臺＞放電的電壓平臺（能量=電壓*電流*時間），圖2為某磷酸鐵鋰電池充放電過程的SOC-電壓曲線（1/20 C電流充放）。
圖2 某磷酸鐵鋰電池的充/放電SOC-電壓曲線
圖3為基于阻抗分解的電池等效電路圖。其中，C1為理想電源，表示電池存儲電荷的能力，其電壓為U1，不受充放電狀態(tài)的影響；R1為歐姆阻抗，R2為極化阻抗，R3為接觸阻抗，V1為電池正負(fù)極間測量的電壓值。結(jié)合該等效電路圖對電池充放電過程中的電壓變化進(jìn)行分析。
圖3 基于阻抗分解的電池等效電路圖
在電池處于靜置狀態(tài)時，此時測量的V1為電池的開路電壓，極化電阻R2為0，且由于測量的電流極小，歐姆內(nèi)阻與接觸內(nèi)阻產(chǎn)生的分壓也極小，因此V1≈U1。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時，充/放電端接用電器，電池由理想電源C1提供電荷，并且經(jīng)過電池自身的R1、R2、R3三個阻抗的分壓，提供給外接用電器，此時電池正負(fù)極間測得的電壓值V1實際為用電器獲得的分壓，V1=U1-（R1+R2+R3）*I。當(dāng)放電結(jié)束后電池轉(zhuǎn)為靜置狀態(tài)，極化內(nèi)阻逐漸消失，V1≈U1，因此在放電過程中，電池端的電壓值會低于靜置時的電壓值。
當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，充/放電端接電源，此時電池自身相當(dāng)于用電器，此時電池正負(fù)極間測得的電壓值實際為電池兩端獲得的電壓，但是由于電池存在R1、R2、R3三個阻抗的分壓作用，理想電源C1實際獲得的U1=V1-（R1+R2+R3）*I。當(dāng)充電結(jié)束后，極化內(nèi)阻逐漸消失，V1≈U1，因此在充電過程中，電池端的電壓值會高于靜置時的電壓值。
在PACK過程中，由于焊接不良或螺栓扭矩未打緊會造成電池與極片的接觸阻抗R3遠(yuǎn)大于歐姆內(nèi)阻R1與極化內(nèi)阻R2，這會直接影響到電池包的電性能測試，通常會表現(xiàn)為電池的端電壓瞬間飆高或飚低，甚至達(dá)到電壓保護(hù)的上下限，導(dǎo)致電性能測試區(qū)間縮短或直接終止。
電池阻抗對產(chǎn)熱的影響：
當(dāng)電池通過電流時，其阻抗會將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，就表現(xiàn)出電池的產(chǎn)熱現(xiàn)象。電池包產(chǎn)熱會造成電池的溫度升高，一般電池的工作溫度要求再20~45之間，過高或過低的溫度會對電池的壽命造成影響。Q=I2*R*t，在正常的使用情況下，電池的阻抗變化較小，其產(chǎn)熱量基本與電流大小的平方線性相關(guān)，下圖為某電池包在電性能測試中分別使用1C與0.5C放電的溫升曲線，變換電流大小是生產(chǎn)中電測可選的溫度控制方式之一。
圖3 某電池包電測溫度曲線（環(huán)境溫度20℃）
歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)熱，而電池與極片間的接觸阻抗則導(dǎo)致電池外部產(chǎn)熱。產(chǎn)熱量與阻抗大小線性相關(guān)，由于接觸不緊密的導(dǎo)致的大阻抗會產(chǎn)生大量熱量，在電動汽車的實際使用中存在極大的安全隱患，嚴(yán)重的會導(dǎo)致電動汽車燒毀。因此，保證螺栓扭力達(dá)標(biāo)，盡可能消除接觸阻抗是PACK過程中的關(guān)鍵控制點之一。
總結(jié)
電池阻抗是電池的重要屬性，了解其組成及影響對分析電池包性能異常具有較大的作用。在PACK生產(chǎn)中，保證通過電流的器件緊密接觸，以消除接觸阻抗的任務(wù)至關(guān)重要。由于小編水平有限，暫未對歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻展開分析。
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